JP4178600B2

JP4178600B2 - 荷重測定装置および荷重測定用素子

Info

Publication number: JP4178600B2
Application number: JP20069598A
Authority: JP
Inventors: 欣河野; 淳小坂; 英俊大内; 佐長田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: JP2000028445A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子圧電材料に交流電圧を加えて外部からの荷重または力を計測する荷重測定装置に関し、例えば、車両座席における人体の荷重計測やベッドにおける体圧分布の計測等、静的な荷重や力の計測に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電材料を用いた荷重測定装置には、ピエゾ効果を利用した圧電型、応力による共振周波数（共振点）の変化を追跡する共振型がある。しかし、圧電型は、出力電圧の発生を継続化すべく回路中にインピーダンスを介在させているものの、発生電圧の漏洩が不可避であり、その結果、動的な荷重や力の測定は可能であるが、静的（定常的）な荷重や力の測定は困難である。一方、共振型は、回路構成が複雑となり回路調整に長い時間が必要などの問題がある。
【０００３】
これらの問題点を解決するものとして、例えば特開昭５２−７８４８３号公報に、圧電セラミックの共振点近傍の応力によるインピーダンス変化を利用した荷重（力）測定装置が提案されている。これは、圧電セラミックに印加する交流電圧を共振点近傍の周波数に固定し、外部から圧電セラミックに静的な力が加わったときの電圧振幅の変化量（出力電圧差）を測定するものである。これによると周波数が固定化されているため、共振型に比べ簡単な回路構成とできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来公報においては、圧電セラミックのインピーダンス変化を利用しているが、圧電セラミック材料の機械的な振動モードが複雑なため検出器を構成する事が難しい。また、圧電セラミック材料として代表的な水晶や圧電セラミックは脆性材料であり、硬くて脆いため応用範囲が限られる。例えば、車両座席において人体の荷重を計測する乗員検知センサに用いた場合、人が着席したときに、硬いセンサの部分に違和感を生じる。
【０００５】
そこで、本発明者等は、圧電セラミックのかわりに、比較的振動モードが簡単と考えられ且つ柔軟性に富んだポリフッ化ビニリデン（以下ＰＶＤＦという）等の高分子圧電材料を圧電素子として用いることを考えた。しかし、検討の結果、図９の高分子（ＰＶＤＦ）圧電素子と圧電セラミック素子の電圧の周波数特性グラフに示す様に、これら高分子電圧材料は明確な共振特性を示さないため、静的な荷重の計測が出来なかった。
【０００６】
そこで、本発明は上記点に鑑みて、明確な共振特性を示さない高分子圧電材料からなる圧電素子を用いて、静的な荷重または力が計測できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述のように、静的な荷重または力が計測できるには、明確な共振特性を持つ圧電素子が必要である。本発明者らは、高分子圧電材料に明確な共振特性を与えるべく鋭意検討を行なった結果、インダクタンス成分（Ｌ成分）を有する素子（例えばコイル等）を、高分子圧電材料に並列又は直列に接続することにより、後述の図２に示す様に、高分子圧電材料の電圧の周波数特性を急峻化できることを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
【０００８】
すなわち、請求項１記載の発明では、圧電素子（１）を、この圧電素子（１）の共振周波数近傍の一定周波数で振動させておき、圧電素子（１）に外部からの荷重または力が加わったときの圧電素子（１）の電圧の周波数特性変化を検出することにより、前記荷重または力の大きさを検出するようにした荷重測定装置において、圧電素子（１）を高分子圧電材料からなるものとし、さらにこの圧電素子（１）の電圧の周波数特性を急峻化させる急峻化手段（２）を設けたことを特徴としている。
【０００９】
それによって、急峻化手段（２）によって、明確な共振特性を示さない高分子圧電材料からなる圧電素子（１）の電圧の周波数特性を急峻化、すなわち共振特性を明確化（Ｑ値を大きく）できるから、外部荷重等が加わったときの圧電素子（１）のインピーダンス変化による電圧の周波数特性変化を明確に検出できる。従って、本発明によれば、静的な荷重や力を計測できる。
【００１０】
また、請求項２及び請求項３記載の発明は具体的な急峻化手段を提供するものであり、急峻化手段を、圧電素子（１）に並列もしくは直列に接続されたコイル部（２）としたことを特徴としている。ここで、圧電素子（１）とコイル部（２）により共振回路が構成され、コイルのインダクタンス値を選択すれば、共振周波数とＱ値を任意に設定でき、従って、測定感度も任意に選択出来る。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、圧電素子（１）を複数個備え、複数個の圧電素子（１）の各々にコイル部（２）を接続し、コイル（２）のインダクタンス値を各圧電素子（１）の電圧の周波数特性に合わせて選択していることを特徴としており、複数個の圧電素子（１）及びコイル部（２）を複数箇所に配置すれば、複数箇所における静的な荷重や力を計測できる。
【００１２】
また、請求項１〜４に記載の周波数発振手段（４）において、圧電素子（１）を振動させるには、一定振幅の正弦波電圧を印加するか、又は一定振幅の正弦波電流を印加する。つまり、電圧及び電流のどちらかを一定とした正弦波信号を印加するのであるが、本発明者等の検討によれば、外部荷重等に応じて正確な出力信号（出力電圧差）を得るには、請求項５記載の発明のように、一定振幅の正弦波電流を印加した方が好ましい（図３（ｂ）参照）。
【００１３】
また、高分子圧電材料としては請求項６記載の材料を用いることができる。
また、請求項７記載の発明は、高分子圧電材料からなる圧電素子（１）と、この圧電素子（１）の電圧の周波数特性を急峻化させる急峻化手段（２）とを備えた荷重測定用素子を提供するものである。本発明によれば、共振特性の明確な荷重測定用素子を提供でき、共振周波数近傍の一定周波数でこの荷重測定用素子を振動させ、外部荷重等が加わったときの電圧の周波数特性変化を検出すれば、静的な荷重や力を計測できる。
【００１４】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態の荷重測定装置は、荷重センサとして適用されたものとし、高分子圧電材料からなる圧電素子に、コイルを並列又は直列に接続することで共振特性を急峻化させたものである。本実施形態に係る荷重センサ１００の回路構成を図１に示す。
【００１６】
１は高分子圧電材料からなり外部からの荷重または力を受ける受圧部としての圧電素子であり、フィルム状に形成された高分子圧電材料に電極を設けた構成となっている。
高分子圧電材料としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデンおよび／またはポリフッ化ビニルを主成分とする共重合体、奇数ナイロン、ポリ尿素、ビニリデンシアナイドを主成分とする共重合体、ポリウレタン、アクリロニトリル系共重合体、およびポリ塩化ビニルの中から選択された材料等を採用できる。
【００１７】
２は、圧電素子１の電圧の周波数特性を急峻化させる急峻化手段としてのコイル（コイル部）である。本実施形態では、圧電素子１とコイル２は荷重測定用素子に相当し、両者１、２は並列に接続されて共振回路を構成している。この共振回路には、抵抗（インピーダンス）３を介して、直列に周波数発振器（周波数発振手段）４が接続されている。
【００１８】
ここで、図２は、圧電素子１の電圧の周波数特性を示す特性図である。圧電素子１に並列にコイル２を付加していることにより、電圧の周波数特性（周波数−電圧特性）は、図２の黒四角プロットのように、コイル２が接続されていない圧電素子１単独の場合（比較例、図２中、白四角プロットで示す）に比べて、急峻化されている。
【００１９】
なお、この特性例は、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ４０μｍのＰＶＤＦフィルムを用いた圧電素子１、インダクタが３６ｍＨであるコイル２、１０ｋΩのインピーダンス３を用いた構成とし、周波数発振器４から、最大値と最小値との差が５．６Ｖ_P-Pの一定振幅の交流電圧を印加し、周波数を変えて行ったものである。そして、上記した他の高分子圧電材料においても同様の急峻化傾向を示す。
【００２０】
また、５は振幅変化検出回路（検出手段）であり、適当な記憶回路と差動増幅器を備えた構成となっている。そして、出力信号として上記共振回路（荷重測定用素子）両端の電圧振幅を取り出すようになっている。なお、検出する電圧振幅としては、共振回路両端の電圧振幅を取り出してもよいが、インピーダンス３の両端の電圧振幅を用いてもよい。
【００２１】
かかる構成を有する荷重測定装置１００の作動について述べる。
周波数発振器４により、上記共振回路に圧電素子１の共振周波数近傍の一定周波数で、圧電素子１を振動させる。このとき、上記図２に示したように、コイル２の付加により圧電素子１の電圧の周波数特性は急峻化されて、明確な共振特性を示す。
【００２２】
そして、圧電素子１に外部から荷重が加わったとき、その電圧の周波数特性が変化する。この周波数特性変化の様子を図３（ａ）に模式的に示す。図３（ａ）において、実線で示す波形Ａ１は、外部荷重が加わっていないときの周波数特性であり、Ｒ１は共振点を示す。ここで、外部荷重が加わると周波数特性は、波形Ａ１から破線で示す波形Ａ２となり、共振点はＲ１からＲ２に移動する。
【００２３】
従って、圧電素子１を共振周波数近傍の一定周波数、例えば周波数ｆ１で振動させておけば、外部荷重が加わったとき振幅変化検出回路５により出力電圧差Ｖ１が検出できる。
一方、圧電素子１を共振周波数近傍の例えば周波数ｆ２で振動させておけば、外部荷重が加わったとき出力電圧差Ｖ２が検出できる。これら出力電圧差Ｖ１、Ｖ２と外部荷重とは、例えば図３（ｂ）に示す様な関係になり、この出力−荷重特性を用いて荷重の大きさを検出できる。なお、出力電圧差Ｖ１、Ｖ２のどちらを出力とするかで出力−荷重特性における傾きの正負は変わる。
【００２４】
なお、周波数発振器４によって、圧電素子１を振動させるには、一定振幅の正弦波電圧を印加するか、又は一定振幅の正弦波電流を印加するのであるが、本発明者等の検討によれば、一定振幅の正弦波電流を印加した方が好ましい。これは、一定振幅の正弦波電流とした方が、図３（ｂ）に示す様な、荷重の増加方向と減少方向とで生じる出力電圧差変化のヒステリシスＨを軽減できるためである。
【００２５】
このように、本実施形態によれば、コイル２の付加によって、明確な共振特性を示さない高分子圧電材料からなる圧電素子１の電圧の周波数特性を急峻化、すなわち共振特性を明確化（Ｑ値を大きく）できるから、外部荷重等が加わったときの圧電素子１のインピーダンス変化による電圧の周波数特性変化を明確に検出でき、静的な荷重や力を計測できる。
【００２６】
ここで、上記図１では、圧電素子１にコイル２を並列に接続したが、図４に示す様に、圧電素子１にコイル２を直列に接続した構成としても、同様の作用効果が得られる。また、急峻化手段としてはコイルに限定されることなく、インダクタンス成分（Ｌ成分）を有する素子であればよい。
次に本実施形態を、以下に示す実施例に基づいてさらに説明する。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）
ＰＶＤＦ（厚さ：４０μｍ、寸法：４０×４０ｍｍ）の両面に電極としてＡｌが蒸着された圧電素子１に、コイル（Ｌ＝３６．５ｍＨ）２を並列に接続し、圧電素子１とコイル２から成る共振回路に直列に抵抗（１０ｋΩ）３を介して、発振器４より共振点近傍の一定周波数（１２．５ｋＨｚ）、一定振幅（電圧：５．６Ｖ）の正弦波交流を印加した。
【００２８】
出力信号は共振回路両端の電圧振幅を取り出して、作動増幅器を用いた振幅変化検出回路５によって出力電圧差を検出した。
上記測定回路によって構成された圧電素子１に荷重を加えたときの出力−荷重特性を図５に示す。本実施例では、印加した荷重に応じて出力が直線的に変化し荷重センサとして良好な結果が得られた。
【００２９】
（実施例２）
ＰＶＤＦ（厚さ：４０μｍ、寸法：４０×４０ｍｍ）の両面に電極としてＡｌが蒸着された圧電素子１に、コイル（Ｌ＝３６．５ｍＨ）２を並列に接続し、圧電素子１とコイル２から成る共振回路に直列に抵抗（１０ｋΩ）３を介して、発振器４より共振点近傍の一定周波数（１２．７９ｋＨｚ）、一定振幅（電圧：５．６Ｖ）の正弦波交流を印加した。
【００３０】
出力信号は共振回路両端の電圧振幅を取り出して、作動増幅器を用いた振幅変化検出回路５によって出力電圧差を検出した。
上記測定回路によって構成された圧電素子に荷重を加えた時の出力−荷重特性を図６に示す。本実施例では、印加した荷重に応じて出力が直線的に変化し荷重センサとして良好な結果が得られた。
【００３１】
（実施例３）
ＰＶＤＦ（厚さ：８０μｍ、寸法：４０×４０ｍｍ）の両面に電極としてＡｌが蒸着された圧電素子１に共振特性を与えるコイル（Ｌ＝３６．５ｍＨ）２を並列に接続し、圧電素子１とコイル２から成る共振回路に直列に抵抗（１０ｋΩ）３を介して、発振器４より共振点近傍の一定周波数（１６．５ｋＨｚ）、一定振幅（電圧：５．６Ｖ）の正弦波交流を印加した。
【００３２】
出力信号は共振回路両端の電圧振幅を取り出して、作動増幅器を用いた振幅変化検出回路５によって出力電圧差を検出した。
上記測定回路によって構成された圧電素子１に荷重を加えたときの出力−荷重特性を図７に示す。本実施例では、ポリフッ化ビニリデンの厚さを実施例１、実施例２に比べ厚くしたため、感度は低下したが、印加した荷重に応じて出力が直線的に変化した荷重センサとして良好な結果が得られた。
【００３３】
（比較例）
本比較例は、コイルを付加しない圧電素子を用いたものである。ＰＶＤＦ（厚さ：４０μｍ、寸法：４０×４０ｍｍ）の両面に電極としてＡｌが蒸着された圧電素子に直列に抵抗（１０ｋΩ）を介して、発振器より共振点近傍の一定周波数（１２．５ｋＨｚ）、一定振幅（電圧：５．６Ｖ）の正弦波交流を印加した。実施例１と同様の方法で電圧振幅を検出したが、図８に示す様に、荷重を印加しても出力電圧差の変動は見られなかった。
【００３４】
以上、上記実施形態について、上記各実施例を含めて説明してきたが、荷重センサ１００は、受圧部である圧電素子１に薄膜で柔軟性に富んだ高分子圧電材料を用いているので、車両等の座席及びベッド等に、この受圧部である圧電素子１を内蔵すれば、人体の荷重及び荷重分布を、人に違和感を与える事なく計測できる。
【００３５】
従って、本荷重センサ１００は、圧電素子１を自動車の座席に配して乗員の体重を検知しエアバッグの開放条件を制御するための乗員検知センサ、または、圧電素子１を病人の介護用ベッドに配し、介護人の体圧分布、鼓動、脈拍等を検出する体圧分布センサまたは床すれ防止センサ等に用いて好適である。
また、本荷重センサ１００は、柔軟性のある圧電素子１を油や空気等が流れるホースの外側に巻き付け油圧や空気圧を検知する油圧センサまたは空気圧センサ、さらには体重検知センサ等に用いることがきる。
【００３６】
また、上記実施形態においては、圧電素子１、及び、圧電素子１と並列もしくは直列に接続されたコイル２は、荷重測定用素子を構成しており、共振特性の明確な荷重測定用素子を提供している。
そして、この荷重測定用素子を複数個備え、座席やベッドの適所に複数個配置するようにすれば、複数箇所における静的な荷重や力を計測できる。この場合、コイル２のインダクタンス値は、各圧電素子１の電圧の周波数特性に合わせて選択されているものにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る荷重測定装置の一例を示す回路図である。
【図２】上記実施形態における圧電素子の電圧の周波数特性を示す特性図である。
【図３】（ａ）は外部荷重印加時における電圧の周波数特性変化を示す説明図、（ｂ）は出力−荷重特性を示す説明図である。
【図４】上記実施形態に係る荷重測定装置の他の一例を示す回路図である。
【図５】実施例１における荷重と出力電圧の関係を示す特性図である。
【図６】実施例２における荷重と出力電圧の関係を示す特性図である。
【図７】実施例３における荷重と出力電圧の関係を示す特性図である。
【図８】比較例における荷重と出力電圧の関係を示す特性図である。
【図９】高分子（ＰＶＤＦ）圧電素子と圧電セラミック素子の周波数特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…圧電素子、２…コイル、３…インピーダンス、４…周波数発振器、５…振幅変化検出回路。

Claims

高分子圧電材料からなり外部からの荷重または力を受ける圧電素子（１）と、
この圧電素子（１）の電圧の周波数特性を急峻化させる急峻化手段（２）と、前記圧電素子（１）の共振周波数近傍の一定周波数で前記圧電素子（１）を振動させる周波数発振手段（４）と、
前記圧電素子（１）に前記荷重または力が加わったときの前記電圧の周波数特性変化を検出することにより、前記荷重または力の大きさを検出する検出手段（５）とを備えることを特徴とする荷重測定装置。
前記急峻化手段は、前記圧電素子（１）に並列に接続されたコイル部（２）であることを特徴とする請求項１に記載の荷重測定装置。
前記急峻化手段は、前記圧電素子（１）に直列に接続されたコイル部（２）であることを特徴とする請求項１に記載の荷重測定装置。
前記圧電素子（１）は複数個備えられ、
前記コイル部（２）は前記複数個の圧電素子（１）の各々に接続されており、前記コイル（２）のインダクタンス値は、各前記圧電素子（１）の電圧の周波数特性に合わせて選択されていることを特徴とする請求項２または３に記載の荷重測定装置。
前記周波数発振手段（４）は、前記圧電素子（１）の共振周波数近傍の一定周波数で一定振幅の正弦波電流を印加することにより前記圧電素子（１）を振動させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の荷重測定装置。
前記高分子圧電材料は、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデンおよび／またはポリフッ化ビニルを主成分とする共重合体、奇数ナイロン、ポリ尿素、ビニリデンシアナイドを主成分とする共重合体、ポリウレタン、アクリロニトリル系共重合体、およびポリ塩化ビニルの中から選択された材料であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の荷重測定装置。
共振周波数近傍の一定周波数による振動のもと、外部から荷重または力が加わったときに電圧の周波数特性が変化し、前記荷重または力に応じた信号を発生する荷重測定用素子であって、
高分子圧電材料からなる圧電素子（１）と、
この圧電素子（１）の電圧の周波数特性を急峻化させる急峻化手段（２）とを備えることを特徴とする荷重測定用素子。